一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶及其制备方法和应用，将棉花纤维素加入氢氧化钠溶液；将混合液低温放置后，与氧化石墨烯溶液低温混合，然后搅拌，即得到纤维素@氧化石墨烯混合溶液；将纤维素@氧化石墨烯混合溶液倒入模具中，室温下静置，得到纤维素@氧化石墨烯水凝胶；将纤维素@氧化石墨烯水凝胶经冷冻干燥得到纤维素@氧化石墨烯气凝胶；将纤维素@氧化石墨烯气凝胶经高温热解得到纤维素@石墨烯复合碳气凝胶。本发明专利技术将纤维素@石墨烯复合碳气凝胶用于诱导锂枝晶定向生长的电极结构中，以达到保护电池隔膜的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶及其制备方法和应用
本专利技术涉及锂金属电池领域，涉及一种通过诱导电流分布，而使锂枝晶定向生长的策略，特别涉及一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶及其制备方法和应用。
技术介绍
电动汽车市场的快速增长引起了人们对下一代蓄电池的广泛研究兴趣，以满足人们对高功率性能、高能量密度和长循环寿命的日益增长的需求。金属锂因其较高的理论容量(3860mAhg-1)、较低的电化学电位(-3.040Vvs标准氢电极)和0.534gcm-3的低密度，而常被选择作为负极材料。然而，金属锂电极存在严重的安全隐患。这些问题的罪魁祸首似乎来自于锂枝晶的不受控制的生长，这将导致内部短路、热失控等，从而导致严重的安全隐患。近年来，研究人员做出了许多以改进隔膜/阳极界面为重点的策略，以抑制锂枝晶的生长，保护隔膜。如人工SEI膜、电解液添加剂和锂/碳复合电极等。然而这些策略仍然无法改变隔膜/电解液界面的枝晶向上生长方向，随着循环进行，电池隔膜仍然存在安全隐患。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶及其制备方法和应用，以克服上述电极/电解液界面处锂枝晶向上生长的缺陷，本专利技术通过制备纤维素@石墨烯复合碳气凝胶，并将纤维素@石墨烯复合碳气凝胶用于诱导锂枝晶定向生长的电极结构中，以达到保护电池隔膜的作用。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将棉花纤维素加入氢氧化钠溶液；步骤2、将步骤1得到的混合液低温放置后，与氧化石墨烯溶液低温混合，然后搅拌，即得到纤维素@氧化石墨烯混合溶液；步骤3、将步骤2得到的纤维素@氧化石墨烯混合溶液倒入模具中，室温下静置，得到纤维素@氧化石墨烯水凝胶；步骤4、将步骤3得到的纤维素@氧化石墨烯水凝胶经冷冻干燥得到纤维素@氧化石墨烯气凝胶；步骤5、将步骤4得到的纤维素@氧化石墨烯气凝胶经高温热解得到纤维素@石墨烯复合碳气凝胶，即CCA。进一步地，步骤1的氢氧化钠溶液具体为：每32.4mL水中加入7.6gNaOH，步骤1中棉花纤维素与氢氧化钠溶液中NaOH的质量比为1:7.6。进一步地，步骤2中氧化石墨烯溶液的浓度为2mg/mL，且步骤1得到的混合液与氧化石墨烯溶液的体积比为1:1。进一步地，步骤2中低温放置的温度为-15℃，时间为12h。进一步地，步骤3中静置时间为48h。进一步地，步骤5中高温热解具体为：在Ar气氛下，以2℃/min的升温速度，升温到800℃，热解2h。一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶，采用上述的一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶的制备方法制得。一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶在诱导锂枝晶定向生长的电极结构中的应用，将纤维素@石墨烯复合碳气凝胶置于锂金属负极与集流体之间，得到CCA-Li复合电极。一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶在诱导锂枝晶定向生长的电极结构中的应用，将纤维素@石墨烯复合碳气凝胶作为夹层，置于电池隔膜与锂金属负极之间，得到Li-CCA电极。一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶在诱导锂枝晶定向生长的电极结构中的应用，将纤维素@石墨烯复合碳气凝胶浸泡于40mg/mL的醋酸锌水溶液，并于N2气氛下，600℃热解得到CCA@ZnO复合材料，将金属锂加热至350℃，熔融灌入CCA@ZnO复合材料，得到CCA@Li复合电极，其中锂金属含量为50mg/cm-2。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术制备材料成本低廉，储量丰富，用于锂金属保护所需操作简单，易于实现，且效果显著，可以极大提高锂金属电池的长循环稳定性。本专利技术是一种锂金属负极保护的新策略，通过改变CCA/Li复合电极的结构，来诱导电流密度的分布，从而改变锂枝晶沉积场所，以达到保护电池隔膜的目的。该策略可以在10mAcm-2的高电流密度下，循环寿命长达1000次。进一步地，本专利技术通过将纤维素@石墨烯复合碳气凝胶(CCA)放于锂金属负极与集流体之间，使底部CCA层承载高的电流密度，诱导属沉积的主要场所从电极/电解液界面迁移至电极/集流体界面，从而保护电池隔膜。进一步地，本专利技术通过将CCA放于电池隔膜与锂金属负极之间，得到Li-CCA电极，可以有效地降低锂金属表面的局部高电流分布，使锂金属均匀沉积在锂金属表面，延长电池循环寿命。进一步地，本专利技术通过将纤维素@石墨烯复合碳气凝胶浸泡于醋酸锌水溶液，并于N2气氛下，热解得到CCA@ZnO复合材料，将金属锂熔融灌入CCA@ZnO复合材料，得到CCA@Li复合电极，提供了连续的导电网络和多个成核位点，提高了电极的循环寿命。附图说明图1是本专利技术实施例制备的CCA的SEM图；图2是本专利技术实施例制备的CCA的TEM图；图3是本专利技术应用例和对比例得到的电池性能数据图。具体实施方式下面结合实施例，更具体地说明本专利技术的内容。应当理解，本专利技术的实施并不局限于下面的实施例，对本专利技术所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本专利技术保护范围。在本专利技术中，若非特指，所有设备和原料等均可从市场购得或是行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。实施例第一步：制备棉花纤维素/NaOH/H2O(1.0g/7.6g/32.4ml)混合液；在-15℃低温下放置12h；第二步：将上述混合液在-15℃低温下放置12h，然后与氧化石墨烯溶液(2mg/ml)低温下混合，经剧烈机械搅拌，得到纤维素@氧化石墨烯混合溶液；第三步：将纤维素@氧化石墨烯混合溶液倒入模具中，室温下静置48h，得到纤维素@氧化石墨烯水凝胶；第四步：纤维素@氧化石墨烯水凝胶经冷冻干燥得到纤维素@氧化石墨烯气凝胶；第五步：将纤维素@氧化石墨烯气凝胶在Ar气氛下，以2℃/min的升温速度，升温到800℃，热解2h，得到纤维素@石墨烯复合碳气凝胶(CCA)。应用例1将实施例制备的CCA放于锂金属负极与集流体之间，得到CCA-Li复合电极。该策略使底部CCA层承载高的电流密度，可以使锂金属沉积的主要场所从隔膜/电极界面迁移至底部CCA层，从而保证了隔膜的长循环稳定性以保护电池隔膜。应用例2将实施例得到的CCA作为夹层，放于电池隔膜与锂金属负极之间，得到Li-CCA电极。该策略可以有效地降低锂金属表面的局部高电流分布，使锂金属均匀沉积在锂金属表面，延长电池循环寿命。应用例3将实施例得到的CCA浸泡于醋酸锌水溶液(40mg/ml)，并于N2气氛下，600℃热解得到CCA@ZnO复合材料。将金属锂加热至350℃，熔融灌入CCA@ZnO复合材料，得到CCA@Li复合电极，其中锂金属含量为50mg/cm-2。该策略提供了连续的导电网络和多个成核位点，提高了电极的循环寿命。对比例将金属锂电极作为对比样品。如图1和图2所示，TE本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、将棉花纤维素加入氢氧化钠溶液；/n步骤2、将步骤1得到的混合液低温放置后，与氧化石墨烯溶液低温混合，然后搅拌，即得到纤维素@氧化石墨烯混合溶液；/n步骤3、将步骤2得到的纤维素@氧化石墨烯混合溶液倒入模具中，室温下静置，得到纤维素@氧化石墨烯水凝胶；/n步骤4、将步骤3得到的纤维素@氧化石墨烯水凝胶经冷冻干燥得到纤维素@氧化石墨烯气凝胶；/n步骤5、将步骤4得到的纤维素@氧化石墨烯气凝胶经高温热解得到纤维素@石墨烯复合碳气凝胶，即CCA。/n

【技术特征摘要】
1.一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将棉花纤维素加入氢氧化钠溶液；
步骤2、将步骤1得到的混合液低温放置后，与氧化石墨烯溶液低温混合，然后搅拌，即得到纤维素@氧化石墨烯混合溶液；
步骤3、将步骤2得到的纤维素@氧化石墨烯混合溶液倒入模具中，室温下静置，得到纤维素@氧化石墨烯水凝胶；
步骤4、将步骤3得到的纤维素@氧化石墨烯水凝胶经冷冻干燥得到纤维素@氧化石墨烯气凝胶；
步骤5、将步骤4得到的纤维素@氧化石墨烯气凝胶经高温热解得到纤维素@石墨烯复合碳气凝胶，即CCA。


2.根据权利要求1所述的一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤1的氢氧化钠溶液具体为：每32.4mL水中加入7.6gNaOH，步骤1中棉花纤维素与氢氧化钠溶液中NaOH的质量比为1:7.6。


3.根据权利要求1所述的一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2中氧化石墨烯溶液的浓度为2mg/mL，且步骤1得到的混合液与氧化石墨烯溶液的体积比为1:1。


4.根据权利要求1所述的一种纤维素@石墨烯复合碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤2中低温放置的温度为-15℃，时间为12h。


5.根据权利要求1所述的一种纤维素@石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁书江，毛恒，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61